JP2000504085A - イオン化検出を備える点火システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スパークプラグ内のイオン化を検出し測定するための検出回路を備えた、内燃機関のための高出力点火システムである。検出回路は、大電流アーク及びイオン化電流を発生するために必要な電圧を供給するために、２つの目的に用いられる第２エネルギー源（２８）を利用する。信号プロセッサ（５０）は、エンジン不点火、燃焼持続時間、エンジンノッキング、空気／燃料のおおよその混合比、スパークプラグの汚れの指摘、及び過早点火のような有用な点火システムのデータを導出するために、検出回路により作り出されたイオン化信号を解析する。

Description

【発明の詳細な説明】 イオン化検出を備える点火システム 発明の背景 本発明は一般に、２個の実質的に切り離されたエネルギー源を利用する点火シ ステム内のイオン化検出に関するものである。更に詳細には、本発明は第１エネ ルギー源の機能がスパークプラグギャップ間にスパークを発生させることであり 、第２エネルギー源の機能が電流をプラグギャップに伝達すること、及びイオン 化電流が生じて検出回路により検出され測定されるようにプラグギャップ間に電 圧を供給することを含む点火システムに関する。 如何なる点火システムの目的も、アーク放電停止後に自立燃焼プロセスが開始 されるように空気／燃料の混合物に絶えず点火することである。しかし、完全な 点火システムはない。これらのシステムは点火しないことが時折あり、スパーク プラグが汚れる。不点火、エンジンノッキング、空気／燃料の混合比、及びスパ ークプラグの汚れの測定表示は、特に政府の空気浄化に関する指導及び規定の観 点から有効である。そのような指導及び規定は不点火の計数、不点火の割合の計 算、空気／燃料の混合比の継続的モニタ、及び種々の帰還ループを用いたエンジ ン変数の制御を含む。 スパークプラグギャップのイオン化とエンジン不点火の関係は、自動車業界で はよく知られている。S.Miyata他の"Flame Ion Density Measurement Using Spa rk Plug Voltage Analysis"，SAE Technical Paper 930462を参照のこと。プラ グがスパークを発生する時、プラグ周辺のガスはイオン化する。高温燃焼ガスの イオン化により、点火成功に続くスパークプラグギャップ内部の導電率が上昇す ることが知られている。従って、点火に続いてギャップ間に加えられる電圧は結 果的に電流、即ちイオン化電流になる。イオン化電流の測定は、燃焼プロセスに ついての情報を提供する。イオン化電流は燃焼の存在を示すことが知られている 。同様に低電流またはゼロ電流は不点火を示すことが知られている。エンジンノ ッキングの発生、おおよその空気／燃料の混合比、スパークプラグの汚れ、及び 他 の燃焼特性もまたイオン化電流の測定から導出できる。 従来技術の検出回路は、イオン化電流を発生するために種々のエネルギー源を 利用してきた。しかし、これらシステムのエネルギー源は、スパークを発生する 第１エネルギー源に一般に接続される。次に起こるスパークを作り出すために、 第１エネルギー源の放電後に負の高電圧が生じる。負の高電圧の存在はイオン化 電流の測定を信頼性の低いものにするか、または複雑な信号処理装置の使用を必 要とする。米国特許第５，３２１，９７８号がこれら困難の幾つかを克服しよう としている。米国特許第５，３２１，９７８号は、電圧を作り出しイオン化電流 を発生するための追加電源を開示している。米国特許第５，３２１，９７８号は また、コイルが発生した負電圧の効果を制限するための負電圧クランプ手段を開 示している。それにも関わらず、米国特許第５，３２１，９７８号は、追加電源 の機能がイオン化電流を発生するための電圧を供給するだけであるという限界を 有する。 米国特許第５，１９７，４４８号で開示されたデュアルエネルギーシステムは 、点火プロセスを２つの現象（スパーク、及びアーク）に分離する。そのような 点火システムの主な特徴の１つは、スパーク点火エンジンの希薄運転限界を広げ る能力である。希薄運転または排気ガス再循環（ＥＧＲ）は低い排気レベル及び 高い熱効率をもたらす。このシステムは、２つの現象を作り出す第１及び第２エ ネルギー源を含む。第１エネルギー源から放出されたエネルギーがスパークを作 り出すためにスパークギャップに高電圧を供給するような方法で、第１エネルギ ー源はスパークギャップに電気的に接続される。第１エネルギー源及び第２エネ ルギー源間の結合が最小化されるが、第２エネルギー源から放出されたエネルギ ーが低インピーダンス経路を経由してスパークギャップに高電圧を供給し、エネ ルギーはスパークギャップ間のアークを維持するのに十分であるような方法で、 第２エネルギー源がスパークギャップに電気的に接続される。 本発明の目的の１つは、スパークギャップ間にイオン化電流を誘導し測定する ことにより、スパークギャップ内のイオン化を効率的かつ経済的に検出すること である。イオン化電流の解析は、不点火、エンジンノッキング、空気／燃料のお およその混合比、及びスパークプラグの汚れのような燃焼の特性に関する有益な データを提供する。本発明の更に他の目的は、将来使用するためにこのデータを 記憶することである。本発明の更に他の目的は、（デュアルエネルギーシステム のような）スパークギャップ間に電圧を供給するために第２エネルギー源を利用 することである。特に、本発明は少なくとも２つの機能のために第２エネルギー 源を利用し、その１つはアーク電流の供給、他の１つはイオン化電流を発生する スパークギャップ間電圧の二次的応用である。本発明の更に他の目的はデュアル エネルギー点火システムを用いた効率的運転であり、それによりイオン化電流測 定のための構成部品の数を減らし、測定プロセスを単純にし、データの正確さを 増し、点火システムの効率的運転を維持する。発明の要約 本発明の一般的な目的は、イオン化を検出しイオン化電流を測定する単純な方 法及び回路を提供することである。２つの別個の機能のための追加エネルギー源 を利用することにより、効率性及び経済性は従来技術を上回って達成される。 本発明は、第１及び第２エネルギー源を含む点火システム内の第２エネルギー 源を利用するイオン化検出回路である。エネルギー源間の結合は最小化される。 第１エネルギー源はスパークプラグギャップ間のスパークにエネルギーを供給す る。（第１エネルギー源から切り離された）第２エネルギー源は、スパークが減 衰した直後のスパークプラグギャップ間のアークにエネルギーを供給する。アー クを提供した結果、第２エネルギー源はスパークギャップ間に電圧を加えるため に再充電される。この加えられた電圧はスパークプラグギャップを流れるイオン 化電流を生じる。イオン化電流の検出及び測定は、部分的点火または不点火の発 生、エンジンノッキング、空気／燃料のおおよその混合比、及びスパークプラグ の性能のような燃焼プロセスについての情報を提供する。 本発明によると、第１及び第２エネルギー源を有するデュアルエネルギー点火 システムは、スパークプラグギャップ内のイオン化を測定するための検出回路を 含むように適合される。本発明によるデュアルエネルギー点火システムの適合は 効率的かつ経済的なイオン化の測定を提供し、デュアルエネルギー点火システム 本来の利点を維持する。 好ましい実施例では、検出回路はイオン化電流が流れる抵抗器を含む。結果的 に生じる電圧降下は（イオン化を示す）イオン化信号を提供し、イオン化信号は プロセッサによりフィルタされて解析され、それにより燃焼特性が導出される。 プロセッサによる解析は将来使用するために記憶できる。回路は更に、アーク電 流が抵抗器を迂回することを可能にし、検出回路をアーク放電の間に過電圧から 保護するツェナダイオードを含む。ツェナダイオードはまた、より正確な測定及 び効率的な点火を可能にする。僅かな追加部品が必要となり、正確な測定は固有 のものである。図面の簡単な説明 図１は、スパーク発生装置、第２エネルギー源、及び第１エネルギー源から第 ２エネルギー源を切り離すための高電圧ダイオードから成る、従来技術のデュア ルエネルギー点火システムの概念図である。 図２は、従来技術のデュアルエネルギー点火システムの回路図である。 図３は、本発明によるイオン化検出を備える点火システムの概念図である。 図４は、本発明によるイオン化検出を備える点火システムの回路図である。 図５ａは、イオン化電流及び不点火の指示の測定を示す、本発明による実験デ ータのグラフである。 図５ｂは、イオン化電流及び不点火の指示の測定を示す、本発明による実験デ ータのグラフである。好ましい実施例 本発明は、点火システム内のスパークプラグギャップ間のイオン化電流を発生 し、検出し、測定する。点火プロセスを最適化するためのシステムは点火を２つ の現象（スパーク、及びアーク）に分離する。点火プロセスの各部分に専用の独 立したエネルギー源を当てることにより、点火効率、燃焼排気レベル、及び熱効 率は改善される。本発明によると、スパークプラグギャップに電圧を加えるエネ ルギー源の１つを利用することによりイオン化電流は作り出される。イオン化電 流は測定可能であり、排気プロセスの特性が決定される。 図１は、米国特許第５，１９７，４４８号で開示されたような従来技術のデュ アルエネルギー点火システムの概念図を描いており、本明細書で全面的に参照す る。電圧増幅変圧器１２を含むスパーク発生装置１０は、スパークギャップ１４ 内にスパークを作り出すという唯一の目的を有する。第２エネルギー源１６は、 スパークギャップ１４内に大電流アークを作り出すという唯一の目的を有する。 最も重大なことは、第２エネルギー源１６がスパークギャップ１４への放電経路 を有し、前記放電経路は変圧器１２の１次側から切り離されることである。この ことは高電圧ダイオード１８を経由して達成される。このことはまた、高電圧ダ イオード１８を除去し変圧器１２の代わりに可飽和鉄心変圧器を使用することに よっても達成される。アークエネルギーが効率の悪い変圧器を通じて転送されず 、第２エネルギー源がスパーク発生装置１０からのエネルギーでは充電されない ので、そのようなシステムの効率は先在するシステムよりも改善される。第２エ ネルギー源から放出されたエネルギーが低インピーダンス経路を経由してスパー クギャップ１４と結合することは重要である。 図２を参照すると、デュアルエネルギー点火システムの好ましい実施例の従来 技術の回路図が示されている。第１電源２０はキャパシタ２２を充電する。ＣＤ Ｉまたはフラッシュライトで一般に使用されるような、非常に低い内部インダク タンス及び非常に低い内部レジスタンスを有するキャパシタを使用しなければな らない。変圧器１２を通じてキャパシタ２２の放電を引き起こすために、高電圧 高ピーク電流切換素子を含むトリガ回路２４が好ましくは使用される。この急速 放電は、変圧器１２の２次側に非常に高い電圧を誘導する。この電圧はスパーク ギャップ１４の周囲をイオン化し、スパークを作り出す。 キャパシタ２６を充電する第２電源２８は、変圧器１２の２次側にある。キャ パシタ２６に貯蔵されたエネルギーは放電し、スパークが形成された後にスパー クギャップ１４を流れるアークとなる。高電圧ダイオード１８は、キャパシタ２ ６の放電が変圧器１２の１次側と結合しないことを保証するために使用される。 電源２０，２８の出力は同一である必要はない。典型的な実施例では、電源２ ０，２８は、自動車により供給された電圧（一般に１４Ｖ）を点火システムで必 要な高電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータを含む。 図３は、本発明によるイオン化電流センサを備える点火システムの概念図を描 いている。電圧増幅変圧器１２を含むスパーク発生装置１０は、スパークギャッ プ１４内にスパークを発生するという唯一の目的を有する。イオン化検出回路４ ０は、スパークギャップ１４内にイオン化電流を発生し検出するためのエネルギ ー源１６を利用する。 本発明のイオン化検出回路４０が図４に描かれている。検出回路４０は、イオ ン化電流に対する電圧源としてキャパシタ２６に蓄えられたエネルギーを利用す る。 検出回路４０は抵抗器４２，スパークギャップ１４，高電圧ダイオード１８， 及びキャパシタ２６から成る。スパーク及びアークが発生した後、第２電源２８ によりキャパシタ２６は急速に逆バイアスされる。逆バイアスされたキャパシタ ２６に蓄えられたエネルギーは、スパークギャップ１４間に電圧を供給する。結 果的に生じる如何なる電流もイオン化電流と呼ばれ、それがスパークギャップ１ ４に存在するイオン化の機能である。もし、電流が一定のしきい値を越えたら燃 焼が起きる。もし、しきい値が達成されなければ、部分的な燃焼または不点火が 起きる。 イオン化電流は抵抗器４２の電圧を経由して測定される。この電圧降下はイオ ン化信号４６を提供する。キャパシタ２６の充電中のノイズ及びキャパシタ２６ の放電中の抵抗器４２のＤＣバイアスのために、イオン化電流４６を解析しよう とする時に問題が発生する。抵抗器４２の電圧に対していつ「注意を払う」かに 関して選択的であることが、両方の問題に対する解決策である。アナログマルチ プレクサ５８は、大部分の時間、ハイパスフィルタ５６に適切なＤＣバイアスを 供給できる。従って、燃焼プロセスの間、アナログマルチプレクサ５８はイオン 化信号４６をハイパスフィルタ５６に供給できる。従って、ノイズ及びＤＣバイ アスは、増幅器４４に入力する前にイオン化信号４６から除去される。ノイズ除 去の他の方法は、マルチプレクサ５６に加えて、または代わりに、ローパスフィ ルタ４８を使用することである。いったん増幅器４４により増幅されたら、不点 火の検出を含む燃焼プロセスの種々の特性を決定するために信号プロセッサ５０ はイオン化信号４６を解析する。メモリユニット５４は、将来使用するためにプ ロセッサ５０からの解析データを記憶する。 検出回路４０に更に含まれるのは、ツェナダイオード５２である。抵抗器４２ と並列なツェナダイオード５２は、２つの理由で重要である。第１に、アーク電 流は比較的大きいので、イオン化分圧器小電流の正確な測定は困難である。ツェ ナダイオード５２は、抵抗器４２の電圧降下を制限する役目をする。このことは 増幅器回路を保護し、より高抵抗で更に高感度の抵抗器４２を使用することを可 能にし、それによりイオン化信号４６のより良い測定を提供する。 第２に、更に重要なことには、ツェナダイオード５２は抵抗器４２を迂回し、 キャパシタ２６から放電された電流に対して低インピーダンス経路を提供する。 このことは点火システムの効率的運転のために必要である。ツェナダイオード５ ２が無ければ、アーク電流は抵抗器４２により生じる有意なインピーダンスに直 面する。ピーク電流及びスパークギャップ間のアーク電流密度を最大化するよう に、回路インピーダンスを最小化することは非常に望ましい。 図４を参照すると、回路素子値が図示された実施例に対して提供される。この 実施例では、０．４７μＦのキャパシタ２２が、１４Ｖを６００Ｖに変圧するＤ Ｃ−ＤＣコンバータを含む第１電源２０により６００Ｖに充電される。トリガ回 路２４は１０００Ｖ３５ＡのＳＣＲ（ＣＤｌ及びストローブ回路に共通の素子） を含む。昇圧変圧器１２は、巻線比１：１００を有する。 この図示された実施例の変圧器１２の２次側で、０．４７μＦのキャパシタ２ ６が、１４Ｖを−６００Ｖに変圧するＤＣ−ＤＣコンバータを含む第２電源２８ により−６００Ｖに充電される。高電圧ダイオード１８は４０，０００Ｖ、１Ａ と見積もられる。１ｋΩの抵抗器４２と並列な３．３Ｖのツェナダイオード５２ は、抵抗器４２の電圧降下を３．３Ｖに制限するのに役立つ。 電磁気的インターフェース（ＥＭＩ）のために、シールドが好ましくは利用さ れる。また、大電流、ＥＭＩ発生放電経路（アンテナ）を短縮するために、部品 は好ましくはスパークプラグの近くに配置される。 不点火以外の燃焼プロセスの特性は、イオン化信号４６から決定できる。簡単 な例の１つは燃焼の持続時間であり、単純にイオン化信号４６がどれだけの時間 一定のしきい値を越えていたかということである。他の例はエンジンノッキング である。燃焼が音の速さを越えた時、エンジンノッキングは起きる。エンジンノ ッキングは５〜８ｋＨｚの範囲の音波であり、イオン化信号４６内で検出できる 。プロセッサ５０は５〜８ｋＨｚの範囲のイオン化信号音を分離し解析するため に使用できる。そのような音の存在は、エンジンノッキングが起きたことを示す 。このプロセッサ解析データもまた、メモリユニット５４に記憶される。 イオン化信号４６から導出できる燃焼プロセス特性の他の例は、空気／燃料の 混合比である。イオン化と空気／燃料の混合比の間には相関関係がある。S.Miya ta他の"Flame Ion Density Measurement Using Spark Plug Voltage Analysis" ，SAE Technical Paper 930462を参照のこと。イオン化測定の持続時間及びイ オン化信号４６の減衰率は空気／燃料の混合比を表す。従って、点火システムの テストは特定のエンジン設計のためのイオン化レベルと空気／燃料の混合比の相 関曲線を明らかにする。これらの相関データを有するプロセッサ５０を提供する ことにより、プロセッサ５０はイオン化信号４６を解析し、おおよその空気／燃 料の混合比を導出できる。再度、これは将来使用するためにメモリユニット５４ に記憶される。 イオン化信号46から決定可能な燃焼特性の２つの追加例は、スパークプラグの 汚れ及び過早点火である。これらの特性は、燃焼が起きるとは考えられない一定 のエンジンサイクル間のイオン化電流の存在により示される。特に、イオン化電 流４６が余りに長く持続した時に、スパークプラグの汚れが指摘される。点火前 に燃焼が始まった時、他の特性（過早点火）が起きる。従って、もしスパークが 起きる前にイオン化電流４６が燃焼を示したら、過早点火が指摘される。再度、 これらの特性の明示は、将来使用するためにメモリユニット５４に記憶される。 他の有用な測定はエンジン角度位置である。このデータを提供するための手段 は当業者にはよく知られている。エンジン角度位置は、イオン化信号４６から導 出されるプロセッサデータに対する基準点を提供する。例えば、（解析されたイ オン化信号を経由して）エンジンノッキングが検出された時、対応するエンジン 角度位置がある。もし、対応するエンジン角度位置もエンジンノッキング解析と 一緒にメモりユニット５４に記憶されたら、技術者はエンジンの修理、調整、そ の他のためにこれらの情報を後で利用できる。不点火、燃焼持続時間、エンジン ノッキング、空気／燃料の混合比、及び過早点火に対応する類似の角度位置情報 も同様に有用な診断ツールである。 更に、いったんエンジン角度位置が決定されたら、ピーク圧力の角度位置はイ オン化信号４６のピークと密接に対応するので、ピーク圧力の角度位置が概算で きる。ピーク圧力の位置の概算は２つのエンジン効率パラメータの最適化のため に非常に有用である。第１に、所定量の燃料から最適（最大）トルクを発生する ために、燃焼チャンバ内のピーク圧力は上死点（ＴＤＣ）の後のおよそ１０〜１ ５゜の間で起きなければならない。第２に、燃焼の温度を下げＮＯ_x排気を低減 するために、ピーク圧力はＴＤＣの後の１５゜で起きなければならない。これは 、イオン化信号４６を使用した排気制御の可能性を考慮している。 図５ａ，図５ｂは本発明の実験結果を図示している。これらのグラフは、シリ ンダ圧力６２及びイオン化信号４６の同時測定を示している。シリンダ圧力の点 ６２ａにおける上昇は、燃焼が起きたことを示す。同時に発生するイオン化信号 ４６は様々な特性の燃焼の発生を示す。例えば、スパークの発生及び続いて起き る再充電が４６ａにおいて示されている。燃焼の発生が４６ｂにおいて示されて いる。不点火の発生が４６ｃにおいて示されている。最後に、エンジンノッキン グを伴う燃焼が４６ｄにおいて示されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 第１巻線及び第２巻線を有する昇圧変圧器と、 前記第１巻線と電気的に接続された第１エネルギー源と、 前記第１エネルギー源からのエネルギーがスパークギャップ間にスパークを起 こすような方法で前記第２巻線と電気的に接続された前記スパークギャップと、 前記スパークギャップ及び前記第２巻線と電気的に接続され、前記第１エネル ギー源と実質的に切り離され、低インピーダンス経路を経由して前記スパークギ ャップにエネルギーを供給し、それによって前記スパークギャップ間にアークを 持続する第２エネルギー源と、 前記スパークギャップ間に電圧を供給するために前記第２エネルギー源を利用 し、結果的に生じてスパークギャップを流れるイオン化電流を測定し、イオン化 信号を提供するイオン化検出回路とから成ることを特徴とする、イオン化検出を 備える点火システム。 ２． 前記検出回路が前記第２エネルギー源と電気的に直列接続された抵抗器を 含み、それにより前記抵抗器の電圧降下が前記イオン化信号を提供することを特 徴とする、請求項１記載の点火システム。 ３． 前記イオン化信号からＤＣバイアスを除去するためのハイパスフィルタを 更に含むことを特徴とする、請求項２記載の点火システム。 ４． 前記イオン化信号から高周波ノイズを除去するためのローパスフィルタを 更に含むことを特徴とする、請求項２記載の点火システム。 ５． 前記検出回路が前記イオン化信号の電圧を上げるための増幅器を更に含む ことを特徴とする、請求項３または４の何れかに記載の点火システム。 ６． 前記検出回路が前記抵抗器と電気的に並列接続されたツェナダイオードを 更に含み、それによって持続するアークが前記抵抗器を実質的に迂回することを 特徴とする、請求項２記載の点火システム。 ７． 不点火の発生を決定する前記イオン化信号の解析を実行するプロセッサを 更に含むことを特徴とする、請求項１記載の点火システム。 ８． エンジンノッキングの発生を決定する前記イオン化信号の解析を実行する プロセッサを更に含むことを特徴とする、請求項１記載の点火システム。 ９． 空気／燃料のおおよその混合比を決定する前記イオン化信号の解析を実行 するプロセッサを更に含むことを特徴とする、請求項１記載の点火システム。 １０． スパークプラグの汚れの指摘を決定する前記イオン化信号の解析を実行 するプロセッサを更に含むことを特徴とする、請求項１記載の点火システム。 １１． 過早点火の発生を決定する前記イオン化信号の解析を実行するプロセッ サを更に含むことを特徴とする、請求項１記載の点火システム。 １２． 燃焼持続時間を決定する前記イオン化信号の解析を実行するプロセッサ を更に含むことを特徴とする、請求項１記載の点火システム。 １３． 将来使用するために前記プロセッサの解析結果を記憶するメモリユニッ トを更に含むことを特徴とする、請求項７，８，９，１０，１１，または１２の 何れかに記載の点火システム。 １４． エンジン角度位置を決定する測定装置を更に含むことを特徴とする、請 求項１記載の点火システム。 １５． ピーク圧力の位置を決定するために前記イオン化信号及び前記エンジン 角度位置の解析を実行するプロセッサを更に含むことを特徴とする、請求項14記 載の点火システム。 １６． 将来使用するために前記エンジン角度位置を記憶するメモリユニットを 更に含むことを特徴とする、請求項１４記載の点火システム。 １７． 将来使用するために前記ピーク圧力の位置を記憶するメモリユニットを 更に含むことを特徴とする、請求項１４記載の点火システム。 １８． 前記エンジン角度位置を決定する測定装置、前記イオン化信号について 前記エンジン角度位置を解析する前記プロセッサ、及び将来使用するために前記 プロセッサ解析結果を記憶するメモリユニットを更に含むことを特徴とする、請 求項７，８，９，１０，１１，または１２の何れかに記載の点火システム。 １９． 将来使用するために前記イオン化信号を記憶するメモリユニットを更に 含むことを特徴とする、請求項１記載の点火システム。